基于Superpro Designer軟件的單克隆抗體生產(chǎn)過程模擬及分析

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程公司，武漢 430000）

單克隆抗體是由單一B 細胞克隆產(chǎn)生的高度均一、僅針對某一特定抗原表位的抗體。通常采用雜交瘤技術(shù)來制備，雜交瘤抗體技術(shù)是在細胞融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，將具有分泌特異性抗體能力的致敏B 細胞和具有無限繁殖能力的骨髓瘤細胞融合為B 細胞雜交瘤。單克隆抗體是一類重要的生物技術(shù)產(chǎn)品，用于醫(yī)療診斷和治療[1]。

Superpro Designer 是美國Intelligen 技術(shù)公司開發(fā)的，用于制藥工程的工藝設(shè)計、產(chǎn)能分析、生產(chǎn)排班、去除生產(chǎn)瓶頸、環(huán)境影響評價和經(jīng)濟評價。Superpro Designer 是有償在國際工程公司及概念設(shè)計公司廣泛應(yīng)用的軟件，近些年被一些生物制藥企業(yè)引進用于工藝開發(fā)及安排生產(chǎn)。目前國內(nèi)在工程設(shè)計上的應(yīng)用處于起步階段，用于模擬單抗生產(chǎn)過程的報道尚未見到。本文利用Superpro Designer 模擬軟件對某單抗項目的生產(chǎn)過程進行模擬分析。

1 項目背景

某醫(yī)藥集團擬新建一條3 000 L 單抗原液生產(chǎn)線，已知：主發(fā)酵罐內(nèi)的蛋白表達量10 g/L，采用3 000 L 發(fā)酵罐生產(chǎn)。上游發(fā)酵為連續(xù)生產(chǎn)過程，生產(chǎn)班次為3 班，其中3 000 L 發(fā)酵罐發(fā)酵時間為9 d；下游純化為間歇生產(chǎn)過程，生產(chǎn)班次為2 班，純化過程共使用15 種緩沖液；要求每4 天生產(chǎn)一批產(chǎn)品。要求：分析計算生產(chǎn)產(chǎn)能、分析生產(chǎn)過程瓶頸、計算并優(yōu)化設(shè)備選型。眾所周之，單抗的生產(chǎn)瓶頸通常出現(xiàn)在發(fā)酵罐、配液罐及水系統(tǒng)的用量上；本文將重點分析發(fā)酵罐、配液罐及水系統(tǒng)選型的合理性。

2 工藝流程

圖1為某單抗項目工藝流程圖，主要包括上游種子培養(yǎng)發(fā)酵及下游純化過程，本工藝中細胞種子經(jīng)搖瓶、Wave 反應(yīng)器、一、二級種子反應(yīng)器培養(yǎng)擴增后進入發(fā)酵罐培養(yǎng)9 d 后經(jīng)離心分離進入下游純化過程。離心后收獲的料液經(jīng)親和層析、深層過濾、陽離子層析、納濾、超濾及除菌過濾后得到原液。在生產(chǎn)過程中還有培養(yǎng)基配制、緩沖液配制及緩沖暫存等輔助設(shè)施。主要設(shè)備為3 臺3 000 L 發(fā)酵罐、離心機、層析柱及超濾器等。

3 Superpro Designer 模型的建立

3.1 生產(chǎn)過程的建立

準(zhǔn)確建立生產(chǎn)過程是模擬計算是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文根據(jù)實際生產(chǎn)中的操作程序為每個單元操作設(shè)備準(zhǔn)確建立了包括SIP 及CIP 在內(nèi)的生產(chǎn)過程，以3 000 L 發(fā)酵罐為例，如圖2所示。

3.2 工藝參數(shù)

建立模型時，各單元設(shè)備工藝參數(shù)輸入的準(zhǔn)確性直接影響物料衡算及熱量衡算的結(jié)果。主工藝設(shè)備的一些主要工藝參數(shù)[2-4]，如表1及表2所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

圖2 發(fā)酵罐生產(chǎn)過程Fig.2 Operation sequence for fermenter

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 產(chǎn)能分析

輸入以上生產(chǎn)過程及工藝參數(shù)后，經(jīng)軟件計算自動得出圖3所示的結(jié)果，從搖瓶培養(yǎng)到原液分裝總共耗時24.85 d。在單抗的生產(chǎn)工藝中，通常發(fā)酵罐都會成為制約產(chǎn)能的瓶頸，本項目在設(shè)計初期已考慮到產(chǎn)能的需求，采用了3 臺3 000 L 發(fā)酵罐交錯生產(chǎn)，所以每3.97 d 即可收獲一批產(chǎn)品，滿足項目實際需求。由圖3還可看出，在只生產(chǎn)一種產(chǎn)品時，每年可生產(chǎn)77 批產(chǎn)品。

在圖4的界面中輸入產(chǎn)品品種數(shù)為2，經(jīng)軟件計算自動得出每多生產(chǎn)一個品種，年生產(chǎn)批次將減少5批。這是因為上游種子培養(yǎng)發(fā)酵需要徹底清場，即在一種產(chǎn)品上游工序生產(chǎn)完成后，另一種產(chǎn)品才能從種子培養(yǎng)開始，而從種子培養(yǎng)到發(fā)酵結(jié)束收獲約為20 d；由此可知，每多生產(chǎn)一個品種將浪費20 d 的生產(chǎn)時間，此數(shù)據(jù)對于合理安排生產(chǎn)具有重要意義。

4.2 生產(chǎn)瓶頸分析

本項目下游純化工段需在4 d 內(nèi)完成生產(chǎn)，其中包括澄清過濾、親和層析、深層過濾、陽離子層析、納濾及超濾等多個單元共用到15 種緩沖液，根據(jù)生產(chǎn)需要緩沖液均在使用前一天配制；這樣平均每天需配制4 種緩沖液。按照項目要求，配液崗位是2 班制生產(chǎn)，也就是說要在16 h 內(nèi)完成4 種緩沖液的配制，且每次配制都要對配制罐進行SIP 及CIP。由此可以預(yù)見配液崗位的生產(chǎn)壓力較大。

表1 上游主要設(shè)備工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of main equipment for upstream

表2 下游主要設(shè)備工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of main equipment for downstream

圖3 單一產(chǎn)品產(chǎn)能分析Fig.3 Capacity analysis for single product

圖4 多產(chǎn)品產(chǎn)能分析Fig.4 Capacity analysis for multi-product

如圖3所示，正如預(yù)想的情況3 000 L 配液罐（TA12）成為生產(chǎn)瓶頸；因為15 種緩沖液中有7 種需要3 000 L 配液罐來完成，也就是說平均每天需要兩次使用3 000 L 配液罐；所以在設(shè)計初期已設(shè)計2臺3 000 L 配液罐用來建模。通常情況下可以通過增加配液罐來破除瓶頸；但因為3 000 L 的發(fā)酵罐完成發(fā)酵需9 d，4 d 作為一個生產(chǎn)周期是合理的；這與設(shè)計預(yù)期相符。3 000 L 配液罐在第1 d 和第4 d 均需使用，占用時間久，不需要再增加配液罐來破除瓶頸。

4.3 工藝設(shè)備利用率分析

前面提到為了滿足生產(chǎn)需求，設(shè)計了2 臺3 000 L 配液罐。下面將對這兩臺配液罐的時間利用率進行分析，從而驗證設(shè)計的合理性。

如圖5所示，3 000 L 配液罐TA13 的時間利用率為50.5%，閑置時間占比49.5%；TA12 的時間利用率為48.68%，閑置時間占比51.32%；兩者的閑置時間占比達到了100.82%。理論上用一臺配液罐就可以完成配液需求；但配液崗位是2 班生產(chǎn)制，一天工作時間只有16 h，即每批次的凈生產(chǎn)時間為2.67 d；而兩臺配液罐的時間占用率為99.18%，即每批次需凈生產(chǎn)時間3.97 d。故選擇2 臺3 000 L 配液罐是合理的。

4.4 CIP 站的利用率分析

如圖6所示，從CIP 時間點來看，CIP 站需求峰值為3 套且峰值的工段出現(xiàn)在下游除病毒前、緩沖液配制及緩沖液暫存。理論上總共只需要3 套CIP站即可滿足生產(chǎn)需求。但考慮到空間布局及操作便利行的需要，如上游含生物活細胞與下游不含生物活細胞的CIP 站需分開設(shè)置；下游納濾除病毒前和納濾除病毒后的CIP 站需分開設(shè)置；所以理論上至少需要4 套CIP 站才能滿足生產(chǎn)需要。即上游1 套（CIPUPS1），下游除病毒前1 套（CIP-DSP1），培養(yǎng)基配制1 套（CIP-Media），下游除病毒后、緩沖液配制及緩沖液儲存共用1 套CIP 站（CIP-DSP2）。

顯然在生產(chǎn)批次時間內(nèi)利用1 套CIP 站完成下游除病毒后、緩沖液配制及緩沖液儲存系統(tǒng)共21 臺儲罐28 次的清洗任務(wù)的難度是非常大的。圖7顯示前一批設(shè)備（藍色）還未清洗完畢，下一批設(shè)備（橘色）已開始清洗；這時CIP 站成為了生產(chǎn)的瓶頸，通過軟件的計算將批次時間將延長到5.5 d，才不會出現(xiàn)設(shè)備清洗跨越批次的情況。

在實際生產(chǎn)中也不允許輔助設(shè)備影響產(chǎn)品產(chǎn)能的情況發(fā)生，所以增加一套CIP 站更符合實際需求。

圖5 工藝設(shè)備的時間利用率Fig.5 Time utilization for process equipment

4.5 注射用水系統(tǒng)需求分析

圖8中紅色曲線表示W(wǎng)FI 瞬時流量，綠色曲線代表每天用水累積量，藍色曲線代表每天平均用水量。由圖8可知，天峰值用水量為30 t/d 出現(xiàn)在第29 d；天最大平均用水量1.25 t/h 出現(xiàn)在第29 d；瞬時峰值用量為15 t/h 出現(xiàn)在第23、27 及31 d。

圖6 CIP 站需求Fig.6 CIP skid requirement

圖7 CIP 站占用圖Fig.7 CIP station occupancy chart

圖8 注射用水消耗Fig.8 WFI consumption

由圖8可知天峰值用水量30 t/d 出現(xiàn)在第29 d，但前5 h 就已經(jīng)用了18.5 t 注射用水，平均每小時用水3.7 t；故擬選擇4 t/h 蒸餾水機及15 t WFI 儲罐利用模型校核蒸餾水機及WFI 儲罐的選型是否合 理。

如圖9所示，當(dāng)選用4 t/h 蒸餾水機及15 tWFI儲罐時，設(shè)置儲罐液位在50%時開啟水機補水，液位達85%時停止補水；可以得到WFI 儲罐的最低液位為21.28%。說明蒸餾水機及WFI 儲罐的選型是合理的。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用生物過程模擬軟件Superpro Designer，對單抗生產(chǎn)過程進行模擬分析，找出生產(chǎn)過程的瓶頸，分析去除瓶頸的必要性及方法，分析主要設(shè)備的利用率并驗證設(shè)備選型的合理性，主要結(jié)論如下：

圖9 蒸餾水機及注射用水儲罐選型Fig.9 Selection for water distiller and WFI tank

（1）由圖3及圖4生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)可知，一條生產(chǎn)線在只生產(chǎn)一種產(chǎn)品的前提下，一年可生產(chǎn)77 批。每多生產(chǎn)一種產(chǎn)品，年生產(chǎn)批次將減少5 批。

（2）由圖3可知，生產(chǎn)的瓶頸是3 000 L 的配液罐（TA12），但其最小循環(huán)時間為3.97 d，小于批次生產(chǎn)時間；故不需破除此瓶頸。

（3）由圖5可知，在按兩班生產(chǎn)的前提下，一臺3 000 L 配液罐無法完成配液需求，需設(shè)計兩臺3 000 L 配液罐。

（4）由圖6、圖7分析可知，考慮到空間布局、操作需要及CIP 站實際利用率的因素，設(shè)計5 套CIP站是合理的。

（5）由圖8、圖9可知，利用模型分析驗證選用4 t/h 的蒸餾水機和15 t 的注射用水儲罐是合理的。